KR100901588B1

KR100901588B1 - 트윈 로터형 모터

Info

Publication number: KR100901588B1
Application number: KR1020077026990A
Authority: KR
Inventors: 히데하루 히와키; 아쯔요시 고시바; 히로시 무라카미
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2009-06-08
Also published as: WO2007010640A1; JPWO2007010640A1; JP2012075318A; KR20080000666A; EP1892814A4; US20090224628A1; CN101199099B; EP1892814A1; CN101199099A

Abstract

본 트윈 로터형 모터의 고정자는 링 모양의 요크부와, 이 요크부의 외경 측에 설치된 복수의 외측 티스부 및 외측 슬롯부와 이 요크부의 내경 측에 설치된 복수의 내측 티스부 및 내측 슬롯부와 이 요크부에 토로이드 형태로 감긴 복수의 코일을 구비한다. 또, 본 트윈로터형 모터의 로터는 외측 티스부에 대향하는 외측 영구자석을 가진 외측 로터와, 내측 티스부에 대향하는 내측 영구 자석을 가진 내측 로터를 구비한다. 또한 고정자는 수지 몰드부를 구비하고, 이 수지 몰드부는 코일을 밀봉함과 동시에 설치 부분을 가진다.

Description

트윈 로터형 모터{TWIN ROTOR TYPE MOTOR}

본 발명은 트윈 로터를 구비한 모터에 관한 것이다.

종래, 트윈 로터형 모터의 단면도를 도 8에 나타낸다. 이 관련 기술은, 예를 들면 일본국 특허 출원 공개 2001－37133호 공보에 개시되어 있다.

도 8은 종래의 토로이드 방식의 브러시가 없는 모터를 나타내고 고정자(60)와 외측 로터(70)와 내측 로터(75)로 구성된다. 또한, 도 8은 통상의 분포권(分布卷)으로 사용되는 극대수 P와 슬롯수 Ns의 조합이 1：6인 4극 12슬롯의 모터를 나타낸다.

고정자(60)는 링 모양의 요크부(61)와 이 요크부(61)의 외경 측에 설치된 복수의 외측 티스부(teeth)(62) 및 외측 슬롯부(63)와 이 요크부(61)의 내경 측에 설치된 복수의 내측 티스부(65) 및 내측 슬롯부(66)를 구비한다. 그리고, 요크부(61)에 외측 슬롯부(63) 및 내측 슬롯부(66) 사이에 토로이드 모양으로 감긴 복수의 코일(64)을 구비한다.

한편, 이 고정자(60) 내외에 2개의 로터(70, 75)가 구비된다. 외측 로터(70)는 외측 티스부(62)에 대향하는 외측 영구 자석(72)과 외측 요크(71)로 구성되고, 고정자(60)의 외측에 회전 가능하게 지지된다. 내측 로터(75)는 내측 티스부(65)에 대향하는 내측 영구 자석(77)과 내측 요크(76)로 이루어지며, 고정자(60)의 내측에 회전 가능하게 지지된다.

코일(64)은, 3상 스타 결선(結線) 또는 3상 델타 결선이 이루어진다. 이 코일(64)에 통전함으로써, 코일(64)로 흐르는 전류에 의한 자계에 의해 토크가 발생하고, 외측 로터(70)와 내측 로터(75)는 모두 소정의 방향으로 회전한다.

고정자(60)는 링 모양의 요크부(61)의 외측 티스부(62)와 내측 티스부(65)의 교차 부분에 복수의 설치 구멍(80)을 구비한다. 이 설치용 구멍(80)은 요크부(61)를 관통한다.

트윈 로터형 모터에서는 고정자(60)의 외측과 안쪽 쌍방으로 각각 외측 로터(70) 및 내측 로터(75)가 존재하기 때문에, 통상 고정자(60)를 유지하기 위하여 사용되는 열 박음이나 압입 등의 고정 방법을 사용할 수 없다. 그래서, 도 8에 나타낸 바와 같이, 설치용 구멍(80)을 마련하여 이 설치용 구멍(80)에 볼트(도시하지 않음) 등을 관통시킴으로써, 고정자(60)를 기기에 고정할 수 있다.

이 종래의 설치 방법은 기술 문헌 「IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL.40, NO.3, MAY／JUNE2004」에 개시되어 있다. 이 문헌의 논문 「Design and Parameter Effect Analysis of Dual-Rotor, Radial-Flux, Toroidally-Wound, Permanent-Magnet Machines」의 774쪽, 「A. Flux Distribution」항에 볼트 구멍에 의하여 누설 자속이 증가하고, 고정자 코어의 자속 밀도가 15％ 저하하는 것이 기재되어 있다.

이 종래의 트윈 로터형 모터는, 고정자(60)를 기기에 설치하기 위하여 설치 용 구멍(80)을 구비할 수 있지만, 이에 의해, 설치용 구멍(80)을 마련하기 위한 스페이스가 요크(61)의 어느 부분에 필요하다. 모터 성능에 대한 영향을 줄이기 위해서는 도 8에 나타낸 바와 같이 요크(61)의 외측 티스(62)와 내측 티스(65)가 교차하는 부분에 설치용 구멍(80)을 마련하는 것이 바람직하다. 그러나, 특히 모터의 토크가 커지면, 설치를 위한 볼트에 요구되는 강도가 필요하고, 이에 따라, 설치용 구멍(80)의 직경을 크게 할 필요가 있다.

이러한 경우, 모터의 자기 회로 설계상 필요한 요크(61), 외측 티스(62), 내측 티스(65)의 폭보다, 설치 강도상 기계적으로 필요한 폭이 커지게 된다. 이에 의해, 예를 들면 외측 티스(62) 혹은 내측 티스(65)의 폭이 커지면 슬롯 면적은 작아지기 때문에, 전류 밀도가 증가하여 신뢰성 문제를 야기하고, 이 전류 밀도의 증가를 억제하기 위해 슬롯 면적을 크게 하면, 내측 로터(75)의 외경이 작아지고 모터의 토크가 저하한다. 또, 요크(61)의 폭이 커지면 내측 로터(75)의 외경이 작아지고 모터의 토크가 저하한다. 따라서, 설치용 구멍(80)을 마련하는 것은 모터의 특성을 충분히 확보하는 것을 어렵게 한다.

본 발명의 트윈 로터형 모터는 다음의 구성을 가진다. 링 모양의 요크부와, 이 요크부의 외경 측에 마련한 복수의 외측 티스부 및 외측 슬롯부와, 이 요크부의 내경 측에 마련한 복수의 내측 티스부 및 내측 슬롯부와, 이 요크부에 토로이드 형태로 감긴 복수의 코일로 구성된 고정자와, 외측 티스부에 대향하는 외측 영구 자석을 가진 외측 로터와 내측 티스부에 대향하는 내측 영구 자석을 가진 내측 로터를 구비한 로터로 구성된다. 더욱이, 고정자는 수지 몰드부를 구비하고, 이 수지 몰드부는 코일을 밀봉함과 동시에 설치부를 가진다.

이 구성에 의해, 효율의 저하, 토크의 저하 등과 같은 특성을 악화시키지 않으면서 성능이 높은 트윈 로터형 모터를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명 실시 형태(1)의 트윈 로터형 모터의 단면도이다.

도 2는 상기 고정자의 상세 단면도이다.

도 3은 도 1의 A－O 단면을 나타낸 축방향 단면도이다.

도 4는 본 발명 실시 형태(2)의 트윈 로터형 모터의 축방향 단면도이다.

도 5는 본 발명 실시 형태(3)의 트윈 로터형 모터의 축방향 단면도이다.

도 6은 본 발명 실시 형태(4)의 트윈 로터형 모터의 단면도이다.

도 7은 상기 고정자의 상세 단면도이다.

도 8은 종래의 트윈 로터형 모터의 단면도이다.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10 고정자

11 요크부

12 외측 티스부

13 외측 슬롯부

14 코일

15 내측 티스부

16 내측 티스부

20 외측 로터

21 외측 요크

22, 22B 외측 영구 자석

24, 29, 41 출력 축

25 내측 로터

26 내측 요크

27, 27B 내측 영구 자석

30, 30A 수지 몰드부

31 설치부

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 이용해 설명한다.

[실시의 형태(1)]

도 1은 본 발명의 실시 형태(1)에 의한 트윈 로터형 모터를 나타낸 단면도이며, 3상의 토로이드 형태로 감긴 코일이 구비된, 브러시가 없는 모터를 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 트윈 로터형 모터는 고정자(10), 외측 로터(20) 및 내측 로터(25)로 구성된다. 단, 도 1은 극대수 P와 슬롯수 Ns의 조합비가 1:6인 4극 12슬롯 모터를 나타낸다.

고정자(10)는, 링 모양의 요크부(11)와, 이 요크부(11)의 외경 측에 마련한 복수의 외측 티스부(12) 및 외측 슬롯부(13)와, 이 요크부(11)의 내경 측에 마련한 복수의 내측 티스부(15) 및 내측 슬롯부(16)를 구비한다. 그리고 요크부(11)는 외측 슬롯부(13) 및 내측 슬롯부(16) 사이에 토로이드 모양으로 감긴 복수의 코일(14)을 구비한다. 그리고 도 1에 햇칭(hatching)으로 표기한 바와 같이, 이 코일(14)을 밀봉한 수지 몰드부(30)를 구비한다.

한편, 이 고정자(10) 내외 2개의 로터(20, 25)가 구비된다. 외측 로터(20)는 외측 티스부(12)에 대향하는 외측 영구 자석(22)과 외측 요크(21)로 구성된다. 내측 로터(25)는 내측 티스부(15)에 대향하는 내측 영구 자석(27)과 내측 요크(26)로 이루어진다. 그리고 이들 외측 영구 자석(22)과 내측 영구 자석(27)은, 모두 4극 (극대수 P=2)으로 자화된다.

도 2는 도 1의 고정자(10)의 수지 몰드부(30)로 밀봉된 부분의 단면도이다. 코일(14)은, 요크부(11)의 각 외측 슬롯부(13)와 내측 슬롯부(16) 사이에 토로이드 모양으로 감긴 개별 코일(U1, V1, W1, U2, V2, W2, U3, V3, W3, U4, V4, W4)로 이루어지며, 3상 스타 결선 또는 3상 델타 결선이 이루어진다. 그리고 이 코일(14)로 통전함으로써, 외측 로터(20)와 내측 로터(25)는 모두, 토크가 발생하여 소정 방향으로 회전한다.

도 3은 도 1에 있어서의 A-O단면을 나타낸 단면도이다. 외측 로터(20)의 외측 로터 요크(21)는 내경 측까지 연장하여, 외측 로터용 출력 축(24)에 결합되어 회전 가능하게 지지된다. 내측 로터(25)는 내측 로터 요크(26)를 통해 내측 로터용 출력 축(29)에 결합되어 회전 가능하게 지지된다. 외측 티스부(12)는 갭(G1)을 통해 외측 영구 자석(22)과 대향하고, 내측 티스부(15)는 갭(G2)을 통해 내측 영구 자석(27)과 대향한다. 2개의 출력 축(24, 29)은 다른 회전 방향 또는 다른 회전 속도로 작동시킬 수 있다.

또, 고정자(10)는 코일(14)을 밀봉하도록 수지 몰드부(30)를 구비한다. 이 수지 몰드부(30)에 의해 코일(14)의 방열성이 좋아지는 효과가 있다.

또한, 이 수지 몰드부(30)는 설치 부분(31)을 가진다. 이 설치 부분(31)은, 수지 몰드부(30)와 일체로 성형하는 것이 바람직하다. 이 설치 부분(31)은, 예를 들면 축 방향으로 관통 구멍을 설치하여 기기에 볼트 등으로 고정할 수 있다. 기기에 설치하는 방법은 볼트 고정으로 한정되는 것이 아니고, 코킹, 용착 등의 방법을 사용해도 된다. 또, 도 3에서는 대좌 모양의 설치 부분(31)을 나타내지만, 이러한 형상에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 설치 부분(31)은 이 대좌 형상을 없애고 코일을 밀봉하는 수지 몰드부(30)에 직접 볼트로 고정하는 것, 혹은 하부에 복수 돌기부를 설치하여 기기로 용착 고정할 수도 있다.

이와 같이, 수지 몰드부(30)와 일체로 성형된 설치 부분(31)을 설치함으로써, 고정자 코어의 요크부(11)에 관통 구멍이 불필요하게 되어, 고정자(10)의 형상은 모터 특성을 좌우하는 자기 회로 설계상의 요소만으로 결정할 수 있게 된다. 따라서 기기에의 설치에 대한 고려로 인해, 모터 특성의 저하를 초래하지 않고, 고성능 트윈 로터형 모터를 실현할 수 있다.

[실시의 형태(2)]

도 4는 본 발명의 실시 형태(2)에 의한 트윈 로터형 모터의 축방향 단면도이다. 또한, 실시 형태(1)와 동일 구성에 대해서는 동일 부호를 부여하고 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시 형태는 실시 형태(1)와 고정자는 동일하고 로터만 다르다.

도 4에서 외측 로터(20A)는 외측 로터 요크(21A)를 내경 측까지 연장해, 내측 로터(25A)를 구성하는 내측 로터 요크(26A)와 결합되어 내외 로터 요크(40)를 구성한다. 이 내외 로터 요크(40)는 출력 축(41)에 결합된다.

이와 같이 로터의 출력 축이 하나이므로, 당연히 외측 로터(20A)의 출력 토크와 내측 로터(25A)의 출력 토크의 합은 모터의 출력 축 토크가 된다. 따라서, 모터의 출력 토크가 커진다.

상술한 바와 같이, 외측 로터(20A)와 내측 로터(25A)를 결합하기 위한 내외 로터 요크(40)가 필요한데, 이 내외 로터 요크(40)는 고정자(10)의 축방향의 한쪽 을 덮도록 구성된다. 이 때문에, 고정자 코어의 요크부(11)에 관통 구멍을 마련하여 기기에 고정하는 것은 상당히 곤란하다. 본 실시 형태와 같이 수지 몰드부(30)로 일체로 성형된 설치 부분(31)을 마련함으로써, 기기에 설치하기가 지극히 용이하게 된다.

[실시의 형태(3)]

도 5는 본 발명의 실시 형태(3)에 의한 트윈 로터형 모터의 축방향 단면도이다. 또한, 실시 형태(1) 및 실시 형태(2)와 동일한 구성에 대해서는 동일 부호를 부여하고 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시 형태는, 실시 형태(2)와 로터는 동일하고, 고정자만 다르다.

본 실시 형태는, 수지 몰드부(30A)의 형상이 실시 형태(1) 및 실시 형태(2) 와 다르다. 즉, 수지 몰드부(30A)는 직경 방향으로 작게 하고, 외측 티스부(12) 및 내측 티스부(15)의 첨단부를 노출하는 구조로 한다. 이 노출시킨 구조는 외측 티스부(12)와 내측 티스부(15) 양쪽에 적용해도 되고, 어느 한쪽에만 적용해도 된다.

이 수지 몰드부(30A)는, 코일(14)을 밀봉해 방열성을 향상시켜, 코일(14)의 온도 상승을 억제하는 작용도 있지만, 본 실시 형태에서는 이 효과를 충분히 얻을 수 있는 최소 필요 수지 몰드부(30A)만으로 구성할 수 있기 때문에, 재료의 사용량이 절감된다.

또, 외측 티스부(12)와 내측 티스부(15)의 첨단부를 노출함으로써, 모터 조립시 위치 결정하기 위해 이 노출 부분을 이용할 수 있다. 특히, 본 발명에 나타낸 트윈 로터형 모터에 대해서는 일반 모터에 비해, 고정자와 외측 로터 및 내측 로터의 동축도(同軸度) 등에 있어서 높은 정밀도가 필요하다. 이때, 외측 티스부(12)와 내측 티스부(15)의 직경 방향 양면과 축방향 단면의 일부를 조립시의 위치 결정에 이용할 수 있어서, 모터를 고정밀하게 조립하는데 있어서, 큰 효과를 얻을 수 있다.

[실시의 형태 4]

도 6은 본 발명의 실시 형태(4)에 의한 트윈 로터형 모터의 단면도이다. 또, 도 7은 고정자(10B)에서의 수지 몰드부(30)로 밀봉된 부분의 단면도이다. 또한, 실시 형태(1)와 동일 구성에 대해서는 동일 부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시 형태는, 실시 형태(1)와 영구 자석의 극대수와 코일의 코일 사양이 다르다.

본 실시예는, 극대수 P와 슬롯수 Ns의 조합이 P：Ns=5：6 인 20극 12슬롯 트윈 로터형 모터를 나타낸다.

고정자(10B) 내외에는 2개의 로터(20B, 25B)가 구비된다. 외측 로터(20B)는 외측 티스부(12)에 대향하는 외측 영구 자석(22B)과 외측 요크(21)로 구성된다. 내측 로터(25B)는 내측 티스부(15)에 대향하는 내측 영구 자석(27B)과 내측 요크(26)로 구성된다. 그리고 이들 외측 영구 자석(22B)과 내측 영구 자석(27B)은 함께 20 극(극대수 P=10)으로 자화되어 있다.

또, 도 7은 본 실시 형태를 실현하기 위한 코일 분포를 나타내고, 도 2와 비교하면 토로이드 모양으로 감긴 개별 코일(U1, V1, W1, U2, V2, W2, U3, V3, W3, U4, V4, W4)의 분포가 회전 방향과 반대 방향으로 되어 있다.

본 실시 형태에서의 극대수 P와 슬롯수 Ns의 조합이 P：Ns=5：6인 경우, 모터의 토크 정수는 실시 형태(1)에서의 P:Ns=1：6의 조합인 경우와 동일하다. 한편, 극대수가 증가함에 따라 고정자 코어(12)의 자속 밀도는 감소한다. 이는 고정자 코어에서 발생하는 철손(鐵損)이 감소하여, 모터 효율이 향상되는 것을 의미한다.

한편, 요크(11)에 감긴 코일(14B)은 도 7에 나타낸 바와 같이 토로이드 모양인 그대로 코일 분포만을 변경함으로써 구성할 수 있기 때문에, 동손(銅損) 증가 등으로 인한 효율성 측면으로 악영향을 주거나, 토크 변동, 일정하지 않은 회전과 같은 소음으로 인한 악영향 등이 발생하지 않는다.

또한, 고정자 코어의 자속 밀도가 저하된다는 것은, 토크를 저하시키지 않고 티스(12, 15)나 요크(11)의 폭을 작게 설계할 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들 면, 티스(12, 15) 및 요크(11)의 폭을 작게 하고, 슬롯 면적이 같도록 설계하면, 내측 로터의 외경을 크게 할 수 있고, 모터 토크 향상, 혹은 효율 향상이 가능해진다. 또, 요크(11)의 폭을 작게 함으로써, 코일(14B)의 주장(周長)이 감소해, 코일의 저항값이 감소하기 때문에 동손이 감소하는 효과도 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 실시 형태의 모터 구성에 의해, 효율이 높은 트윈 로터형 모터를 실현할 수 있다.

본 트윈 로터형 모터는 고정자에 코일을 밀봉하기 위한 수지 몰드부를 구비하여, 이와 일체로 성형된 설치 부분을 마련함으로써, 고정자 코어의 요크부에 기기 설치를 위한 관통 구멍이 필요하지 않게 된다. 이에 의해 기기에의 설치를 고려함으로 인해 모터 특성의 저하를 초래하지 않고, 발생 토크가 크고 효율이 높은 트윈 로터형 모터를 제공할 수 있다.

Claims

링 모양의 요크부와, 상기 요크부의 외경 측에 설치된 복수의 외측 티스부(teeth) 및 외측 슬롯부와, 상기 요크부의 내경 측에 설치된 복수의 내측 티스부 및 내측 슬롯부와, 상기 요크부에 토로이드 형태로 감긴 복수의 코일로 구성된 고정자와,

상기 외측 티스부에 대향하는 외측 영구 자석을 가진 외측 로터와, 상기 내측 티스부에 대향하는 내측 영구 자석을 가진 내측 로터를 구비한 로터로 이루어지며,

상기 고정자는 수지 몰드부를 구비하고, 상기 수지 몰드부는 상기 코일을 밀봉함과 동시에 부착부를 갖는 것을 특징으로 하는 트윈 로터형 모터.
청구항 1에 있어서,

상기 코일은 3상 스타 결선 또는 3상 델타 결선의 어느 한쪽 결선으로 접속된 것을 특징으로 하는 트윈 로터형 모터.
청구항 1에 있어서,

상기 외측 로터와 상기 내측 로터는 각각 개별적으로 출력 축을 갖는 것을 특징으로 하는 트윈 로터형 모터.
청구항 1에 있어서,

상기 외측 로터와 상기 내측 로터는 결합된 1개의 출력 축을 갖는 것을 특징으로 하는 트윈 로터형 모터.
청구항 1에 있어서,

상기 수지 몰드부는, 상기 외측 티스부와 상기 내측 티스부의 적어도 한쪽의 티스 선단부를 노출시키는 것을 특징으로 하는 트윈 로터형 모터.
청구항 1에 있어서,

상기 외측 영구 자석과 상기 내측 영구 자석의 극대수는 동일한 것을 특징으로 하는 트윈 로터형 모터.
청구항 6에 있어서,

상기 외측 슬롯부와 상기 내측 슬롯부의 슬롯수는 동일하고, 상기 극대수와 상기 슬롯수의 비율은 1 대 6인 것을 특징으로 하는 트윈 로터형 모터.
청구항 6에 있어서,

상기 외측 슬롯부와 상기 내측 슬롯부의 슬롯수는 동일하고, 상기 극대수와 상기 슬롯수의 비율은 5 대 6인 것을 특징으로 하는 트윈 로터형 모터.